Biogas, hydrogen giúp cải thiện quá trình cháy của syngas. Hàm lượng tối ưu của hydrogen và biogas pha vào syngas lần lượt là 20% và 30%. Bài viết trình bày thành phần nhiên liệu và góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ sử dụng hỗn hợp syngas-biogas-hydrogen.
Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Võ Anh Vũ 40 THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM TỐI ƯU CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HỖN HỢP SYNGAS-BIOGAS-HYDROGEN OPTIMAL FUEL COMPOSITIONS AND ADVANCED IGNITION ANGLE OF SI ENGINE FUELED WITH SYNGAS-BIOGAS-HYDROGEN BLENDS Bùi Thị Minh Tú1, Bùi Văn Ga2*, Cao Xuân Tuấn2, Võ Anh Vũ1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: buivanga@ac.udn.vn (Nhận bài: 11/6/2022; Chấp nhận đăng: 08/7/2022) Tóm tắt - Biogas, hydrogen giúp cải thiện trình cháy syngas Hàm lượng tối ưu hydrogen biogas pha vào syngas 20% 30% Khi vượt ngưỡng cơng thị chu trình tăng chậm gia tăng nồng độ NOx Ở tốc độ động 3000 rpm, với hàm lượng hydrogen, biogas góc đánh lửa sớm hỗn hợp syngas-hydrogen nhỏ góc đánh lửa sớm hỗn hợp syngas-biogas khoảng 4oTK Góc đánh lửa sớm tối ưu tương ứng với syngas, biogas hydrogen 38 oTK, 24oTK 18oTK Trong điều kiện động làm việc với thành phần hỗn hợp góc đánh lửa sớm tối ưu, cơng thị chu trình động giảm 35% 32% tương ứng với chuyển nhiên liệu từ hydrogen biogas sang syngas Để đạt mức tăng cơng suất hàm lượng biogas pha vào syngas lớn 10% so với hàm lượng hydrogen pha vào biogas Nhưng để đạt mức phát thải NOx hàm lượng hydrogen pha vào syngas 50% hàm lượng biogas pha vào syngas Abstract - The combustion of syngas can be improved with the addition of biogas or hydrogen The optimal content of hydrogen and biogas in the mixture with syngas is 20% and 30%, respectively When these thresholds are exceeded, the indicated engine cycle work increases more slowly than the increase in NOx concentration At an engine speed of 3000 rpm, with the same content of hydrogen and biogas, the advanced ignition angle of the syngas-hydrogen blend is about 4oCA smaller than that of the syngas-biogas blend The optimal advanced ignition angle for syngas, biogas and hydrogen is 38oCA, 24oCA and 18oCA, respectively With optimal mixture compositions and advanced ignition angle, the indicated engine cycle work is reduced by 35% and 32%, respectively, when converting fuel from hydrogen and biogas to syngas To achieve the same increase in power, the biogas content in the syngas is 10% larger than the hydrogen content in the biogas But to achieve the same level of NOx emission, the hydrogen content of the syngas is equal to 50% of the biogas content in the syngas Từ khóa - Năng lượng tái tạo; Biogas; Syngas; Hydrogen; Động nhiên liệu khí Key words - Renewable energy system; Biogas; Syngas; Hydrogen; Gaseous fuel engine Giới thiệu Để đảm bảo nhiệt độ bầu khí khơng vượt q ngưỡng cực đoan 2C vào cuối kỷ từ phải cắt giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính [1] Việt Nam phần lớn quốc gia giới cam kết thực Hiệp định Khí hậu Paris COP21 [2] nhằm nỗ lực đưa mức phát thải ròng chất khí gây hiệu ứng nhà kính vào năm 2050 (Net Zero) [3] Chuyển đổi từ lượng hóa thạch sang lượng tái tạo trọng tâm chiến lược Net Zero [4] Nhiều quốc gia áp dụng sách ưu tiên phát triển lượng tỉ trọng lượng tái tạo sản xuất điện tăng nhanh toàn giới [5] Tuy nhiên, việc sử dụng lượng tái tạo nói chung gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật mật độ lượng thấp, công suất dao động ngẫu nhiên không liên tục [6] Hệ thống lượng tái tạo lai (HRES), kết hợp sử dụng nhiều nguồn lượng tái tạo khác giải pháp hữu hiệu để khắc phục bất cập [7] So với hệ thống lượng tái tạo dựa vào nguồn lượng đơn lẻ, HRES làm việc ổn định, độ tin cậy cao giảm nhu cầu lưu trữ lượng [8] Ưu điểm bật HRES mức độ phát thải CO2 thấp, bỏ qua so với hệ thống điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống [9] Ngồi ra, HRES vận hành độc lập nên dễ dàng áp dụng vùng nông thôn, khu vực hẻo lánh chưa có điện lưới quốc gia [10] Việt Nam nằm vùng nhiệt đới có nguồn lượng mặt trời sinh khối dồi Do đó, HRES điện mặt trời-sinh khối (solar-biomass) có nhiều tiềm [11] Kết hợp sử dụng nguồn lượng mặt trời dao động ngẫu nhiên với nguồn lượng sinh khối kiểm sốt đảm bảo hệ thống HRES vận hành liên tục [12] Bức xạ mặt trời trung bình nước ta nằm mức cao, khoảng 4-6 kWh/m2/ngày [13] Mặt khác, nước ta đứng thứ hai giới xuất gạo nên chất thải từ sản xuất nông nghiệp chiếm tỉ trọng lớn sinh khối [14] Sinh khối ướt phù hợp với sản xuất khí sinh học (biogas) thơng qua q trình sinh hóa cịn sinh khối khơ, phù hợp với sản xuất khí tổng hợp (syngas) thơng qua q trình chuyển đổi nhiệt hóa [15] Do đó, chất thải hữu nói chung phân tách thành hai dòng: Dòng vật chất dễ phân huỷ để sản xuất biogas dịng vật chất khó phân huỷ để sản xuất syngas Ngoài ra, hệ thống lượng tái tạo lai điện mặt trời-sinh khối, công suất pin lượng mặt trời cao công The University of Danang - University of Science and Technology (Bui Thi Minh Tu, Vo Anh Vu) The University of Danang (Bui Van Ga, Cao Xuan Tuan) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 7, 2022 suất phụ tải, lượng dư thừa sử dụng để sản xuất hydrogen thông qua trình điện phân nước [6, 7] Syngas, biogas hydrogen trộn với làm nhiên liệu cho động kéo máy phát điện Trong trường hợp HRES khơng hịa lưới cụm động - máy phát điện sử dụng nguồn lượng dự trữ [16] Các thành phần HRES phụ thuộc vào đặc tính nguồn lượng sơ cấp Chúng bao gồm pin lượng mặt trời, tuabin gió, tuabin thủy điện, máy phát điện diesel, máy phát chạy nhiên liệu khí, accu, inverter lưu trữ hydrogen [2, 9, 17] Ngày nay, phần lớn cấu phần tìm thấy dễ dàng thị trường, trừ động đốt chạy syngas-biogas-hydrogen Đối với loại nhiên liệu cho trước, vấn đề liên quan đến hiệu suất chuyển đổi lượng nhiên liệu, thông số vận hành động góc đánh lửa sớm, tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu mối quan hệ chúng với tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm cần phải nghiên cứu tường tận trước áp dụng thực tế [18] Động đốt sử dụng nhiên liệu hóa thạch áp dụng từ trăm năm đến tiếp tục nghiên cứu Việc áp dụng loại nhiên liệu tái tạo động đòi hỏi nhiều nghiên cứu chuyên sâu hơn, chúng đưa vào sử dụng năm gần nên khơng phải tất khía cạnh hiệu phát thải ô nhiễm làm rõ [18] Vì thế, động đốt chạy hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen, cấu phần quan trọng HRES solar-biomass, cần phải nghiên cứu tường tận Trong hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen hydrogen có ưu điểm bật tốc độ cháy cao, giới hạn cháy rộng, lượng đánh lửa thấp nên diện hydrogen hỗn hợp nhiên liệu cải thiện đáng kể chất lượng trình cháy Do tốc độ cháy hydrogen cao dẫn đến đỉnh đường cong áp suất xuất gần điểm chết làm tăng áp suất cực đại so với loại nhiên liệu truyền thống [6] Dù hàm lượng bé hydrogen, hỗn hợp nhiên liệu cháy với hệ số tương đương thấp làm tăng hiệu suất nhiệt động [19] Khi pha hydrogen vào biogas động làm việc với hỗn hợp cháy nghèo [7] Điều hydrogen cải thiện khả bắt lửa hỗn hợp nhiên liệu [20] Bui cộng [6, 7] thấy rằng, tăng hàm lượng hydrogen biogas góc đánh lửa sớm tối ưu giảm, cơng thị chu trình động tăng nhẹ phát thải NOx tăng mạnh Ngay HRES solar-biomass không sản sinh hydrogen việc kết hợp sử dụng syngas biogas từ biomass đem lại hiệu cao việc sử dụng riêng rẽ nhiên liệu thành phần Trong biogas có CH4 mang nhiệt trị cao cịn syngas chứa hydrogen có tốc độ cháy cao Vì vậy, sử dụng hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas hiệu suất nhiệt động trì mức tương ứng nhiên liệu thành phần phát thải NO x xu hướng kích nổ giảm [21] Đối với hai loại nhiên liệu syngas, biogas, phát thải NOx gần không sử dụng hỗn hợp nghèo [22] Khi HRES bổ sung thêm hydrogen vào syngas hay biogas trình cháy cải thiện mạnh mẽ Trên thị trường khó tìm động 41 thiết kế đặc biệt để chạy syngas [23] Động chạy hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen phù hợp với HRES solar-biomass lại khó tìm hơn, chí cơng trình nghiên cứu liên quan đến đơng cịn hoi sở liệu khoa học Các cơng trình công bố liên quan đến lĩnh vực đề cập đến tính động sử dụng riêng rẽ syngas, biogas hay syngas, biogas làm giàu methan, hydrogen Bài báo tập trung nghiên cứu đặc tính q trình cháy hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen với thành phần thay đổi linh hoạt, phù hợp với động làm việc HRES solar-biomass Kết cơng trình thành phần hỗn hợp nhiên liệu tối ưu, thông số vận hành tối ưu động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogashydrogen Trên sở định hướng hệ thống điều khiển động để đạt thông số vận hành tối ưu nhằm tăng hiệu suất giảm phát thải ô nhiễm động Trang thiết bị phương pháp nghiên cứu Mô thực động Honda GX200 Động có đường kính xi lanh 68mm, hành trính piston 45mm, tỉ số nén 8,5 Khi chạy xăng, động phát cơng suất cực đại 4,8kW tốc độ n=3600 vịng/phút Động cải tạo sang chạy hỗn hợp khí syngas-biogashydrogen Hệ thống nạp động thay hệ thống phun nhiên liệu điều khiển linh hoạt để phù hợp với thành phần nhiên liệu thay đổi Trong cơng trình nhóm tác giả nghiên cứu q trình cháy phát thải nhiễm để xác định thông số điều khiển tối ưu động Do tính phức tạp vấn đề, nghiên cứu thực thông qua mô nhờ phần mềm FLUENT 2021R1 Khơng gian tính tốn gồm xi lanh, buồng cháy đường nạp động Lưới động áp dụng khơng gian xi lanh thể tích thay đổi trình piston chuyển động Để tiết kiệm thời gian tính tốn, kết thúc q trình nén, đường nạp tách khỏi khơng gian tính tốn Chia lưới khơng gian tính tốn xác định tính độc lập lưới trình bày cơng trình [7] Bảng Các thông số đặc trưng nhiên liệu M mkk/mnl Vkk/Vnl g/mol (g/g) (l/l) Thành phần (mol/mol) Nhiên liệu CH4 H2 CO CO2 N2 Biogas 0,7 0 0,3 7,98 6,71 Syngas 0,05 0,18 0,20 0,12 0,45 24,64 1,64 1,39 Hydrogen Nhiệt trị thấp 33,90 10,24 12,03 (MJ/m3) 0 - - 24,4 34,78 2,4 Q trình cháy mơ thơng qua mơ hình Partially Premixed Combustion Hiện tượng chảy rối mơ thơng qua mơ hình k- Sự hình hình NOx tính tốn thơng qua mơ hình Zeldovitch Các chất sản phẩm cháy xem trạng thái cân nhiệt động học Phương pháp giải hệ phương trình đối lưu-khuếch tán trình bày [24] Biogas, syngas hydrogen có đặc trưng trình bày Bảng Các hỗn hợp nhiên liệu sử dụng tính tốn trình bày Bảng Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Võ Anh Vũ 42 Bảng Thành phần hỗn hợp nhiên liệu Hỗn hợp Biogas (%) Syngas (%) Hydrogen (%) Blend1 20 60 20 Blend2 40 40 20 Blend3 60 20 20 Blend9 50 50 Blend14 50 50 Kết bình luận 3.1 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu GX200_So sanh BxCyHz_fi1_js20_M_VN GX200_So sanh BxCyHz_fi1_js20_M_VN 36 12 Biogas Blend3 Blend2 Blend14 Blend1 Syngas HRR (J/TK) 30 24 p (bar) 10 18 Biogas Blend3 Blend2 Blend14 Blend1 Syngas 12 120 180 -2 240 300 360 150 180 210 240 (TK) (TK) 270 300 (b) (a) Hình Ảnh hưởng nhiên liệu đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt HRR (a) áp suất p (b) theo góc quay trục khuỷu (n=3000 v/ph, =1, s=23TK) GX200_So sanh BxCyHz_fi1_js20_M_VN GX200_So sanh BxCyHz_fi1_js20_M_VN 3200 2500 Biogas Blend3 Blend2 Blend14 Blend1 Syngas 2800 2400 2000 1700 NOx (ppm) T (K) 2100 Biogas Blend3 Blend2 Blend14 Blend1 Syngas 1300 900 1600 1200 800 400 500 120 180 240 (TK) 300 360 120 180 (a) 240 (TK) 300 360 (b) Hình Ảnh hưởng nhiên liệu đến biến thiên nhiệt độ T (a) nồng độ NOx (b) theo góc quay trục khuỷu (n=3000 v/ph, =1, s=23TK) GX200_So sanh BxCyHz_fi1_js20_M_VN GX200_So sanh BxCyHz_fi1_js20_M_VN 20 Syngas Blend1 Blend14 Blend2 Blend3 Biogas Syngas Blend1 Blend2 Blend3 Blend14 Biogas 16 HC (%) CO (%) 12 0 120 180 240 (TK) (a) 300 360 120 180 240 (TK) 300 360 tăng áp suất cực đại (Hình 1b) Áp suất cực đại động chạy syngas đạt 23 bar, so với 35 bar động chạy biogas Nhiệt độ cháy cực đại biogas cao nhiệt độ cháy cực đại syngas khoảng 300K (Hình 2a) Điều nhiệt trị syngas thấp tồn nhiều tạp chất CO2, N2 nhiên liệu Tuy nhiên, nhiệt độ cháy thấp syngas làm cho mức độ phát thải NOx cực thấp so với biogas Hình 2b cho thấy, nồng độ NOx động chạy biogas gần gấp 20 lần so với nồng độ chạy syngas Hình 3a giới thiệu biến thiên nồng độ CO hỗn hợp khí Do syngas có chứa CO nên nồng độ CO ban đầu cao giảm dần hàm lượng biogas hỗn hợp tăng Biogas không chứa CO CO sản phẩm cháy điều kiện cân nhiệt động học Do tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu (Vkk/Vnl) CO H2 bé so với Vkk/Vnl CH4 nên nồng độ HC tổng hỗn hợp cháy syngas cao gần gấp đơi so với trường hợp biogas (Hình 3b) Trong điều kiện =1, nồng độ CO, HC khí thải thấp khơng có khác biệt đáng kể sử dụng nhiên liệu syngas-biogas có thành phần khác Trong Hình 1, Hình Hình 3, hỗn hợp nhiên liệu blend1, blend2 blend3 chứa syngas, biogas hydrogen, thành phần hydrogen cố định 20%, thành phần biogas tăng từ 20% lên 60% Chúng ta thấy thành phần biogas tăng từ 20% lên 40% áp suất cực đại tăng từ 27 bar lên 32 bar (Hình 1b) Trong đó, thành phần biogas tăng từ 40% lên 60% áp suất cực đại tăng từ 32 bar lên 33 bar so với 35 bar động chạy biogas Khi hàm lượng biogas thấp hiệu cải thiện trình cháy cao hàm lượng biogas cao biogas chiếm đa số hỗn hợp nhiên liệu tạp chất CO2 hỗn hợp chiếm tỉ lệ gần ổn định Do đó, thay đổi thành phần biogas hỗn hợp nhiên liệu không làm thay đổi đáng kể tỉ lệ HC tổng số tạp chất CO2, N2 Hình 1a thấy cố định thành phần hydrogen tốc độ tỏa nhiệt giai đoạn đầu trình cháy tăng theo hàm lượng biogas, điều giúp áp suất tăng nhanh Hình 1b Khi động sử dụng syngas tốc độ tỏa nhiệt thấp đỉnh đường cong tỏa nhiệt dịch phía đường dãn nở làm giảm áp suất cựcGX200_Blend14_fi1_HF-180CA-Vs-js đại cơng thị chu trình Syngas Blend3 (b) Hình Ảnh hưởng nhiên liệu đến biến thiên nồng độ CO (a) nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu (n=3000 v/ph, =1, s=23TK) Hình 1a so sánh biến thiên tốc độ tỏa nhiệt hỗn hợp cháy theo góc quay trục khuỷu động chạy biogas, syngas hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogashydrogen với hệ số tương đương =1 góc đánh lửa sớm s=23TK Do syngas nghèo, tốc độ cháy thấp nên tốc độ tỏa nhiệt cực đại 65% so với tốc độ tỏa nhiệt biogas Đỉnh đường cong tốc độ tỏa nhiệt biogas đạt sớm 10TK so với đỉnh đường cong tốc độ tỏa nhiệt syngas Khi pha 50% biogas vào syngas (Blend14), tốc độ tỏa nhiệt cực đại đạt gần 90% tốc độ tỏa nhiệt biogas Điều cho thấy pha biogas vào syngas chất lượng trình cháy cải thiện dẫn đến Blend1 Blend2 Blend14 Biogas Pmax (bar) 0.8 NOx (ppm) 0.6 Tmax (K) 0.4 0.2 HC (%V) Wi (J/cyc) CO (%V) Hình So sánh đặc trưng trình cháy syngas, biogas hỗn hợp syngas-biogas-hydrogen (n=3000 v/ph, =1, s=23TK) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 7, 2022 30 0.66 0.76 0.87 1.1 1.25 2100 20 15 1800 T (K) p (bar) 25 900 600 300 0 40 80 120 160 V (cm3) 200 140 1600 2400 NOx (ppm) (a) 3200 4000 180 (a) 1.5 1800 1500 0.66 0.76 0.87 1.13 1.25 1200 0.5 900 3200 4000 (b) Hình Quan hệ Wi NOx theo hàm lượng hydrogen (a) hàm lượng biogas (b) hỗn hợp với syngas (n=3000 v/ph, =1, s=23TK) Hình 5a biểu diễn quan hệ Wi(NOx) ứng với hỗn hợp nhiên liệu syngas-hydrogen có hàm lượng hydrogen khác Kết cho thấy, công thị chu trình tăng mạnh so với gia tăng nồng độ NOx hàm lượng hydrogen nhỏ 20% Khi hàm lượng hydrogen vượt q ngưỡng 20% cơng thị chu trình tăng chậm tác động việc cải thiện q trình cháy thay đổi Trong khí đó, phát thải NOx tăng gần tuyến tính theo hàm lượng hydrogen pha vào syngas Điều mặt nhiệt trị hỗn hợp tăng mặt khác, hydrogen cải thiện chất lượng trình cháy Kết tổng hợp cho thấy pha 50% hydrogen vào syngas cơng thị chu trình tăng 22% nồng độ NOx khí thải tăng đến 20 lần so với động chạy syngas Trong pha 20% hydrogen vào syngas cơng thị chu trình tăng 17% cịn nồng độ NOx tăng lần so với động chạy syngas Đối với hỗn hợp syngas-biogas, Hình 5b cho thấy thành phần biogas hỗn hợp với syngas nhỏ 30% Wi tăng nhanh NOx Khi hàm lượng biogas vượt ngưỡng Wi tăng không đáng kể NOx tăng mạnh Vì vậy, nói hàm lượng hydrogen tối ưu hỗn hợp với syngas 20% hàm lượng biogas tối ưu hỗn hợp với syngas 30% 3.2 Ảnh hưởng hệ số tương đương Hình 6a giới thiệu ảnh hưởng hệ số tương đương đến đồ thị công động chạy hỗn hợp Blend2 tốc độ 3000 v/ph, hệ số tương đương hỗn hợp =1 Chúng ta thấy, hỗn hợp nghèo hay giàu, diện tích đồ thị cơng giảm Đồ thị công lớn tương ứng với hỗn 360 600 300 0 180 240 (CA) 300 120 360 180 240 (CA) 300 360 (d) (c) 1600 2400 NOx (ppm) 300 GX200_Blend2_js20_HF2E6-220_Vf16_fi 0.66 0.76 0.87 1.13 1.25 240 (TK) (b) GX200_Blend2_js20_HF2E6-220_Vf16_fi 2.5 Biogas 50% Biogas 40% Biogas 30% Biogas 800 120 240 Hình Ảnh hưởng hệ số tương đương đến đồ thị công (a), đến biến thiên nhiệt độ (b) phát thải CO (c) NOx (d) theo góc quay trục khuỷu (Blend2, n=3000 v/ph, =1, s=23TK) Hệ số tương đương nhạy cảm phát thải CO Hình 6c cho thấy 1 Do phát thải NOx phụ thuộc vào nhiệt độ cháy nên nồng độ NOx cao tiến gần đến Hình 6d giới thiệu ảnh hưởng đến biến thiên NOx theo góc quay trục khuỷu Chúng ta thấy, nồng độ NOx =1 gấp lần so với nồng độ NOx =0,76 gấp 1,5 lần =1,25 Wi-NOx-CO-HC_fi tối ưu_VN GX200_fiop-vs-fuel 200 1.16 180 1.12 Syngas-Hydrogen Syngas-Biogas optimal 150 800 20% Biogas 160 0.66 0.76 0.87 1.1 1.25 1200 120 Syngas 50% Hydrogen 170 1500 10 Wi (J/ct) 180 Wi (J/ct) 160 40% Hydrogen 30% Hydrogen 20% Hydrogen 170 Syngas Wi (J/ct) 2400 190 180 140 GX200_Blend2_js20_HF2E6-220_Vf16_fi GX200_So sanh SBx_fi1_js20_Radar 190 150 GX200_Blend2_js20_HF2E6-220_Vf16_fi 35 NOx (ppm) GX200_Wi-VS-NOx_Hyddrogen hợp giàu Điều hỗn hợp giàu hay nghèo tốc độ cháy giảm, tượng cháy khơng hồn tồn diễn cục bộ, dẫn đến giảm nhiệt độ cháy (Hình 6b) giảm áp suất xi lanh CO (%) So sánh tổng hợp đặc trưng trình cháy syngas, biogas hỗn hợp syngas-biogas trình bày Hình Trong điều kiện hệ số tương đương hỗn hợp =1, phát thải CO nhỏ 0,097%, phát thải HC nhỏ 0,156% Hai thông số đặc trưng quan trọng so sánh cơng thị chu trình Wi nồng độ NO x Kết cho thấy, Wi đạt 203 J/cyc biogas Khi chuyển sang chạy syngas Wi giảm 30% Phát thải NOx trường hợp syngas đạt khoảng 180ppm bỏ qua so với 3003ppm trường hợp biogas Khi pha 50% biogas vào syngas (Blend14) nồng độ NOx giảm 41% so với nồng độ chúng chạy biogas cơng thị chu trình giảm khoảng 5% Do pha syngas vào biogas, hiệu giảm NOx rõ rệt giảm Wi Khi giữ cố định hàm lượng hydrogen tăng hàm lượng biogas hỗn hợp với syngas cơng thị chu trình tăng đồng thời với gia tăng nồng độ NOx 43 160 1.08 140 1.04 120 Wi_Blend14 Wi_Blend9 Wi_Syngas 100 0.6 0.8 (a) Wi_Blend2 1.2 10 20 30 40 %Hydrogen, %Biogas 50 (b) Hình Ảnh hưởng nhiên liệu đến biến thiên công thị chu trình theo hệ số tương đương (a) biến thiên hệ số tương đương tối ưu theo hàm lượng biogas, hydrogen pha vào syngas (n=3000 v/ph, s=23TK) Hình 7a cho thấy, đường cong Wi() có giá trị cực đại tương ứng với tối ưu Khi động chạy hồn tồn syngas đường cong Wi() thấp đỉnh đường cong dịch phía hệ số tương đương lớn Tại giá trị tối ưu, áp suất cực đại nhiệt độ cháy cực đại đạt giá trị cao Hình 7b cho thấy, hàm lượng hydrogen hay biogas pha vào syngas tăng tối ưu tiến sát giá trị =1 Tại hàm lượng hydrogen hay biogas pha vào syngas tối ưu hỗn hợn syngas-hydrogen thấp tối ưu hỗn hợp syngas-biogas Điều pha hydrogen vào syngas chất lượng trình cháy cải thiện tốt Trong điều kiện hoạt động bình thường, động tĩnh phải phát huy cơng suất tối đa Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Võ Anh Vũ 44 chúng thường xuyên làm việc với thành phần hỗn hợp tối ưu Trong điều kiện hỗn hợp nhiên liệu syngashydrogen có lợi hỗn hợp biogas-hydrogen hệ số tương đương tối ưu hỗn hợp syngas-hydrogen thấp giá trị tương ứng hỗn hợp syngas-biogas 3.3 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm Blend 42 36 p (bar) 24 18 s 36 36 32 28 24 20 16 30 Blend 14 42 s 20 24 28 32 36 40 30 24 18 12 12 6 210 150 2500 2100 2100 1700 1700 1300 1300 900 900 500 500 180 210 240 270 300 T (K) 150 120 180 240 300 210 240 270 190 300 170 Biogas 150 Blend9 120 360 180 Wi (j/ct) 2500 hai trường hợp Blend9 Blend14 không khác biệt nhiều Đối với phát thải NOx, Hình cho thấy, hai trường hợp Blend9 Blend14, nồng độ NOx tăng theo góc đánh lửa sớm Điều giải thích tăng thời gian tồn sản phẩm cháy môi trường nhiệt độ cao Khác biệt lớn hai trường hợp nồng độ NOx Blend14 thấp nhiều so với nồng độ động sử dụng Blend9 Nhiệt độ cháy Blend9 cao nhiệt độ cháy Blend14 lý khác biệt Wi-NOx-Syn-Biogas_js toi uu 180 240 300 Blend14 130 360 Syngas 2500 4000 110 2000 10 3000 1000 500 0 CO (%) 120 180 240 300 360 2.5 3.2 2.4 1.5 1.6 0.8 0.5 120 180 240 (CA) 300 360 40 50 Hình Ảnh hưởng nhiên liệu đến biến thiên cơng thị chu trình theo góc đánh lửa sớm (n=3000 v/ph, =1) 120 180 120 180 240 300 360 240 300 360 0 30 s (TK) (CA) Hình So sánh ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên p, T, CO, NOx theo góc quay trục khuỷu động chạy nhiên liệu Blend9 Blend14 (n=3000 v/ph, =1, s=23TK) Hình giới thiệu ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đặc trưng trình cháy động chạy hỗn hợp nhiên liệu Blend9 (50% syngas 50% hydrogen) hỗn hợp nhiên liệu Blend14 (50% syngas 50% biogas) Tính tốn thực phạm vi thay đổi góc đánh lửa sớm 20TK-36TK (đối với Blend9) 20TK-40TK (đối với Blend14) Chúng ta thấy góc đánh lửa sớm cho trước áp suất cực đại Blend9 cao dẫn đến nhiệt độ cháy cực đại cao Tốc độ gia tăng nhiệt độ trình cháy Blend9 cao tốc độ cháy hỗn hợp Blend9 cao Blend14 Nhiệt độ hỗn hợp trình dãn nở Blend9 khơng khác biệt nhiều thay đổi góc đánh lửa sớm hỗn hợp Blend14 có chênh lệch đáng kể nhiệt độ góc đánh lửa sớm 20TK 40TK Do hỗn hợp cháy có =1 nên lý thuyết q trình cháy diễn hồn tồn Tuy nhiên, cân phản ứng khí-nước nên CO có mặt sản phẩm cháy Khi bổ sung biogas vào syngas, thành phần CO2 hỗn hợp nhiên liệu Blend14 tăng Điều làm tăng nồng độ CO sản phẩm cháy giai đoạn cháy nhanh Tuy nhiên sau hỗn hợp cháy đạt trạng thái cân nhiệt động học Cuối trình cháy, nồng độ CO khí thải Hình cho thấy với loại nhiên liệu cho trước, thay đổi góc đánh lửa sớm đường cong Wi có giá trị cực đại ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu Khi tăng hàm lượng hydrogen hay biogas pha vào syngas cơng thị chu trình tăng đồng thời góc đánh lửa sớm tối ưu giảm Điều thay syngas hydrogen hay biogas lượng nhiên liệu mang vào động tăng tốc độ cháy tăng làm tăng cơng thị chu trình Khi chuyển từ syngas sang hydrogen, cơng thị chu trình động tăng từ 155 J/cyc lên 210 J/cyc, tức tăng 35% Khi chuyển từ syngas sang biogas cơng thị chu trình tăng 32% Tuy nhiên phát thải NOx tăng nhanh theo hàm lượng hydrogen pha vào syngas so với pha biogas vào syngas Khi động làm việc với góc đánh lửa sớm tối ưu, nồng độ NOx tăng từ vài trăm ppm (đối với syngas) lên đến 6000 ppm (đối với hydrogen) Trong chuyển từ syngas qua biogas nồng độ NO x tăng từ vai trăm ppm lên 2800ppm Điều nhiệt độ cháy syngas, biogas thấp nhiệt độ cháy hydrogen Wi-NOx-Syn-Hydro-Bio_js toi uu_Tổng hợp_VN Wi-NOx-Syn-Hydro_js toi uu_VN 215 7000 185 5600 155 4200 125 2800 95 1400 40 Syngas-Biogas 35 Syngas-Hydrogen 30 NOx (ppm) 1000 20 Wi (J/ct) 2000 soptimal (TK) NOx (ppm) 1500 25 20 65 0 15 20 40 60 80 % Biogas, %Hydrogen (a) 100 20 40 60 80 %Biogas, %Hydrogen 100 Wi_Syngas-Hydrogen Wi_Syngas-Biogas NOx_Syngas-Hydrogen NOx_Syngas-Biogas (b) Hình 10 Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu (a) biến thiên Wi, NOx (b) theo hàm lượng biogas, hydrogen pha vào syngas (n=3000 v/ph, =1, s=23TK) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 7, 2022 Hình 10a cho thấy, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm từ 38TK (ứng với syngas) xuống 24TK (ứng với biogas) 18TK (ứng với hydrogen) Góc đánh lửa sớm tối ưu thay đổi nhanh vùng hàm lượng hydrogen thấp hàm lượng hydrogen cao Trong khoảng hàm lượng hydrogen từ 20% đến 90%, góc đánh lửa sớm tối ưu thay đổi tuyến tính với hàm lượng hydrogen nhiên liệu Kết tổng hợp Hình 10a Hình 10b cho thấy, với hàm lượng hydrogen biogas pha vào syngas cơng thị chu trình hỗn hợp syngas-hydrogen lớn khoảng J/cyc nhiên nồng độ NO x tăng gấp đôi so với giá trị tương ứng động chạy hỗn hợp syngas-biogas Góc đánh lửa sớm tối ưu hỗn hợp nhiên liệu syngas-hydrogen nhỏ 4TK so với hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas hàm lượng Để có mức độ phát thải NO x hàm lượng hydrogen pha vào syngas khoảng 50% hàm lượng biogas pha vào syngas Khi cơng thị chu trình động chạy syngas-hydrogen nhỏ J/cyc so với chạy syngas-biogas Để đạt mức tăng cơng suất hàm lượng biogas pha vào syngas lớn 10% so với hàm lượng hydrogen pha vào biogas Nhưng để đạt mức phát thải NOx hàm lượng hydrogen pha vào syngas 50% hàm lượng biogas pha vào syngas Khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen góc đánh lửa sớm tối ưu bé ứng với hydrogen góc đánh lửa sớm tối ưu lớn ứng với syngas Khi cố định thành phần syngas hỗn hợp góc đánh lửa sớm tối ưu nằm giới hạn đường cong biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo hàm lượng hydrogen đường cong biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo hàm lượng biogas Nếu có số liệu phân tích khí, điều chỉnh tự động góc đánh lửa sớm tối ưu Trong thực tế, khơng có thơng tin xác thành phần hỗn hợp nhiên liệu, điều chỉnh góc đánh lửa sớm từ giá trị nhỏ tương ứng với hydrogen đến giá trị lớn tương ứng với syngas Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Khi hàm lượng hydrogen pha vào syngas nhỏ 20% cơng thị chu trình tăng nhanh vượt qua ngưỡng giá trị cơng thị chu trình tăng chậm nồng độ NOx tăng nhanh - Hàm lượng biogas tối ưu pha vào syngas 30% Dưới ngưỡng này, cơng thị chu trình tăng nhanh theo hàm lượng biogas vượt qua giá trị gia tăng nồng độ NOx cao nhiều so với gia tăng Wi - Ở tốc độ động 3000 rpm, với hàm lượng hydrogen, biogas hỗn hợp với syngas góc đánh lửa sớm hỗn hợp hydrogen-syngas nhỏ góc đánh lửa sớm hỗn hợp syngas-biogas khoảng 4TK Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm từ 38TK (ứng với syngas) xuống 24TK (ứng với biogas) 18TK (ứng với hydrogen) Góc đánh lửa sớm tối ưu hỗn hợp syngas-biogashydrogen nằm khoảng góc đánh lửa sớm hydrogen góc đánh lửa sớm syngas 45 - Hệ số tương đương tối ưu tiến dần đến tăng hàm lượng hydrogen hay biogas pha vào syngas Cùng hàm lượng hydrogen hay biogas, hệ số tương đương tối ưu hỗn hợp syngas-hydrogen nhỏ hệ số tương đương hỗn hợp syngas-biogas động làm việc với thành phần hỗn hợp tối ưu phát thải CO hỗn hợp syngas-hydrogen thấp mức phát thải CO hỗn hợp syngas-biogas - Trong điều kiện động làm việc với thành phần hỗn hợp tối ưu góc đánh lửa sớm tối ưu, cơng thị chu trình động giảm 35% 32% tương ứng với chuyển từ hydrogen sang syngas từ biogas sang syngas Để đạt mức tăng công suất hàm lượng biogas pha vào syngas lớn 10% so với hàm lượng hydrogen pha vào biogas Nhưng để đạt mức phát thải NOx hàm lượng hydrogen pha vào syngas 50% hàm lượng biogas pha vào syngas Lời cảm ơn: Cơng trình thực nhờ hỗ trợ Bộ Giáo dục Đào tạo thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Mô đun điện-rác thông qua RDF sản xuất từ chất thải rắn nông thôn”, mã số: B2021-DNA-03 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PCC Special Report on Global Warming of 1.5C https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/11/pr_181008_P48_s pm_en.pdf [2] BeyhanAkarsu, MustafaSerdar Genỗ Optimization of electricity and hydrogen production with hybrid renewable energy systems Fuel, Volume 324, Part A, 2022, 124465 https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124465 [3] Rogelj J., Geden O., Cowie A & Reisinger A (2021): Net-zero emissions targets are vague: three ways to fix Nature 591, 365-368 https://www.nature.com/articles/d41586-021-00662-3 [4] Yousefi H, Ghodusinejad MH, Kasaeian A., 2017, Multi-objective optimal component sizing of a hybrid ICE + PV/T driven CCHP microgrid Appl Therm Eng https://doi org/10.1016/ j.applthermaleng.2017.05.017 [5] Shaopeng Guo, Qibin Liu, Jie Sun, Hongguang Jin., 2018 A review on the utilization of hybrid renewable energy Renewable and Sustainable Energy Reviews 91 1121–1147 https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.105 [6] Van Ga Bui, Trung Hung Vo, Thi Minh Tu Bui, Le Bich Tram Truong, and Thanh Xuan Nguyen Thi: Characteristics of BiogasHydrogen Engines in a Hybrid Renewable Energy System International Energy Journal, Volume 21, Issue 4, December 2021, pp.467-480 [7] Van Ga Bui, Thi Minh Tu Bui, Hwai Chyuan Ong, Sandro Nižetić, Van Hung Bui, Thi Thanh Xuan Nguyen, A.E.Atabani, Libor Štěpanec, Le Hoang Phu Pham, Anh Tuan Hoang: Optimizing operation parameters of a spark-ignition engine fueled with biogashydrogen blend integrated into biomass-solar hybrid renewable energy system Energy, Available online 18 April 2022, 124052 https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124052 [8] Lanyu Li, Xiaonan Wang Design and operation of hybrid renewable energy systems: current status and future perspectives Current Opinion in Chemical Engineering, Volume 31, March 2021, 100669 https://doi.org/10.1016/j.coche.2021.100669 [9] Mohammad HosseinJahangir, RaminCheraghi Economic and environmental assessment of solar-wind-biomass hybrid renewable energy system supplying rural settlement load Sustainable Energy Technologies and Assessments, Volume 42, December 2020, 100895 https://doi.org/10.1016/j.seta.2020.100895 [10] RamanKumar, Harpreet KaurChanni A PV-Biomass off-grid hybrid renewable energy system (HRES) for rural electrification: Design, optimization and techno-economic-environmental analysis Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Võ Anh Vũ 46 [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] Journal of Cleaner Production, Volume 349, 15 May 2022, 131347 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131347 Harpreet Kaur, Surbhi Gupta, Arvind Dhingra Analysis of hybrid solar biomass power plant for generation of electric power Materials today, Volume 48, Part 5, 2022, Pages 1134-1140 https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.08.080 SonjaKallio, MonicaSiroux Hybrid renewable energy systems based on micro-cogeneration Energy Reports, Volume 8, Supplement 1, April 2022, Pages 762-769 https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.11.158 Akash Kumar, Shukla K Sudhakar, Prashant Baredar Renewable energy resources in South Asian countries: Challenges, policy and recommendations Resource-Efficient Technologies, Volume 3, Issue 3, September 2017, Pages 342-346 https://doi.org/10.1016/j.reffit.2016.12.003 https://www.weforum.org/agenda/2022/03/visualizing-the-world-sbiggest-rice-producers/ Shahbaz M, Al-Ansari T, Aslam M, Khan Z, Inayat A, Athar M, Naqvi SR, Ahmed MA, McKay G A state of the art review on biomass processing and conversion technologies to produce hydrogen and its recovery via membrane separation Int J Hydrogen Energy 2020; 45(30), 15166–95 https://doi.org/ 10.1016/j.ijhydene.2020.04.009 Singh S, Singh M, Kaushik SC: Feasibility study of an islanded microgrid in a rural area consisting of PV, wind, biomass and battery energy storage system Energy Convers Manage 2016, 128:178-190 http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.09.046 Rakibul Hassan, Barun K.Das, Mahmudul Hasan Integrated offgrid hybrid renewable energy system optimization based on economic, environmental, and social indicators for sustainable development Energy Volume 250, July 2022, 123823 https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.123823 Willian Cézar Nadaleti, Grzegorz Przybyla Emissions and performance of a spark-ignition gas engine generator operating with [19] [20] [21] [22] [23] [24] hydrogen-rich syngas, methane and biogas blends for application in southern Brazilian rice industries Energy, Volume 154, July 2018, Pages 38-51 https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.04.046 J Arroyo, F Moreno, M Muñoz, C Monné, N Bernal Combustion behavior of a spark ignition engine fueled with synthetic gases derived from biogas Fuel, Volume 117, Part A, 30 January 2014, Pages 50-58 https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.09.055 C.Y Acevedo-Arenas, A Correcher, C Sánchez-Díaz, E Ariza, D Alfonso-Solar, C Vargas-Salgado, J.F Petit-Suárez MPC for optimal dispatch of an AC-linked hybrid PV/wind/biomass/H2 system incorporating demand response Energy Convers Manag, 186 (2019), pp 241-257, 10.1016/j.enconman.2019.02.044 XiangKan, DezhiZhou, WenmingYang, XiaoqiangZhai, ChiHwaWang An investigation on utilization of biogas and syngas produced from biomass waste in premixed spark ignition engine Applied Energy, Volume 212, 15 February 2018, Pages 210-222 https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.12.037 Willian Cézar Nadaleti, Grzegorz Przybyla SI engine assessment using biogas, natural gas and syngas with different content of hydrogen for application in Brazilian rice industries: Efficiency and pollutant emissions International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 21, 24 May 2018, Pages 10141-10154 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.04.073 Carlos Vargas-Salgado, Jesús Águila-León, David Alfonso-Solar, Anders Malmquist, Simulations and experimental study to compare the behavior of a genset running on gasoline or syngas for small scale power generation Energy, Volume 244, Part A, April 2022, 122633 https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122633 V.G Bui, V.N Tran, V.D Nguyen, Q.T Nguyen, T.T Huynh: Octane number stratified mixture preparation by gasoline–ethanol dual injection in SI engines International Journal of Environmental Science and Technology 16(7), pp 3021-3034 (2018), https://doi.org/10.1007/s13762-018-1942-1 ... ứng với hydrogen góc đánh lửa sớm tối ưu lớn ứng với syngas Khi cố định thành phần syngas hỗn hợp góc đánh lửa sớm tối ưu nằm giới hạn đường cong biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo hàm lượng... tốc độ động 3000 rpm, với hàm lượng hydrogen, biogas hỗn hợp với syngas góc đánh lửa sớm hỗn hợp hydrogen-syngas nhỏ góc đánh lửa sớm hỗn hợp syngas-biogas khoảng 4TK Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm... thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo hàm lượng biogas Nếu có số liệu phân tích khí, điều chỉnh tự động góc đánh lửa sớm tối ưu Trong thực tế, khơng có thơng tin xác thành phần hỗn hợp nhiên liệu,